淺談點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信中的無(wú)源微波毫米波天線和器件

一、背景

本文談及的微波毫米波（下簡(jiǎn)稱微波）產(chǎn)品主要是指工作在4～86GHz頻段的無(wú)源天線和器件。它們使通信系統(tǒng)在不需要電源模塊的情況下具備較高的動(dòng)態(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)寬帶模擬信道傳輸，屬于現(xiàn)代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信系統(tǒng)中核心天饋部件。文章首先介紹微波天線和器件的相關(guān)術(shù)語(yǔ)，旨在交代核心指標(biāo)與系統(tǒng)性能的關(guān)系；微波產(chǎn)品頻帶跨度大種類繁多，本文主要從不同角度闡術(shù)當(dāng)前市場(chǎng)上微波天線和器件的類別以及在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和選型時(shí)的一些技術(shù)關(guān)注點(diǎn)和特性?？紤]到微波技術(shù)商用化時(shí)間短，在國(guó)內(nèi)可以說(shuō)是新興產(chǎn)業(yè)，很多公司都是在近10年內(nèi)才配備較全面的微波毫米波測(cè)試設(shè)備，因此產(chǎn)品和技術(shù)依然不是很完善，本文將抽出一個(gè)章節(jié)淺談微波技術(shù)的未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展之趨勢(shì)。

二、微波天線及器件基礎(chǔ) Fundamentals on Microwave Antennas and Components

了解任何產(chǎn)品首先需要了解這些產(chǎn)品的特性，不同的指標(biāo)以及指標(biāo)好壞如何影響產(chǎn)品的使用。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信系統(tǒng)，產(chǎn)品的好壞影響系統(tǒng)的增益，效率，鏈路干擾以及使用壽命。本章節(jié)分別從天線和器件角度解析部分常規(guī)術(shù)語(yǔ)以及它們與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)系。

2.1 天線常規(guī)術(shù)語(yǔ) General Terminologies for Antennas

表1列出了天線常規(guī)術(shù)語(yǔ)以及它們潛在影響的系統(tǒng)性能。天線作為把能量轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂煽臻g無(wú)線電磁能量的核心器件，其輻射特性是最關(guān)鍵的指標(biāo)，圖1列出了用于描述天線輻射特性的若干核心指標(biāo)，除增益外，其中前后比和輻射包絡(luò)圖是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信天線選型中最為關(guān)注的兩個(gè)指標(biāo)。

表1 微波天線常規(guī)術(shù)語(yǔ)及系統(tǒng)的關(guān)系

2.2 器件常規(guī)術(shù)語(yǔ) General Terminologies for Components

表2列出了器件常規(guī)術(shù)語(yǔ)以及它們潛在影響的系統(tǒng)性能。其中差損和隔離往往是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波器件選型中最為關(guān)注的兩個(gè)指標(biāo)，當(dāng)器件和天線級(jí)連之后，它們直接影響天饋系統(tǒng)的增益以及方向圖交叉極化等特性。

表2 微波器件常規(guī)術(shù)語(yǔ)及系統(tǒng)的關(guān)系

2.3 產(chǎn)品可靠性常規(guī)術(shù)語(yǔ) General Terminologies for Stabilities

我們將產(chǎn)品可靠性作為產(chǎn)品必不可少的一部分指標(biāo)，表3列出了針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中天線和器件相關(guān)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)術(shù)語(yǔ)，它們的好壞直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的使用壽命或部件維護(hù)周期。

表3 微波天線及器件產(chǎn)品可靠性常見術(shù)語(yǔ)

三、微波天線分類及選型 Microwave Antennas Classifications

微波天線可以從多個(gè)角度分類，本文旨在從業(yè)界常規(guī)的如下五種分類方式展開分析。

3.1 按照頻率及尺寸分類 According to Frequency and Size

微波天線最常見也是普遍被業(yè)界認(rèn)可的分類方式是頻段和天線大小，天線生產(chǎn)廠家也基本以此來(lái)定義各自的產(chǎn)品編碼（Product Number）。表4是通宇通訊股份有限公司產(chǎn)品頻段和尺寸對(duì)應(yīng)表格（其中綠色，淺綠和紅色分別代表2011－2013不同年度發(fā)布的產(chǎn)品），表5是各個(gè)頻率的頻帶定義。值得提的是，雖然微波天線覆蓋4－86GHz，大口徑天線并非全頻段覆蓋，這主要是因?yàn)榇罂趶教炀€一般用于遠(yuǎn)距離的微波傳輸，隨著頻率增高空間損耗變的難以體現(xiàn)大口徑高增益的優(yōu)勢(shì)，另外頻率越高波束寬度越窄，太高頻率的大口徑天線也會(huì)使得鏈路對(duì)調(diào)成為問(wèn)題。另外，傳統(tǒng)微波天線大概有10％左右的帶寬，近期通宇開始推出20％的寬頻天線，這是為何表5部分頻點(diǎn)含有窄頻和寬頻兩種規(guī)格。

表5 微波天線頻率列表

3.2 按照極化分類 According to Polarization

極化是電磁場(chǎng)的一大特性，在通信信道中采用正交的極化信號(hào)使得在頻帶不變的情況下信道容量增倍。目前點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波系統(tǒng)按照極化分為單極化，雙極化和圓周極化三種，其中前兩種相對(duì)成熟，雙極化微波天線廣泛用于XPIC微波通信系統(tǒng)中。圖2－圖3分別是通宇公司生產(chǎn)的兩款單極化和雙極化微波天線產(chǎn)品。值得注意的是，雙極化產(chǎn)品可以認(rèn)為是單極化產(chǎn)品和正交極化耦合器的組合產(chǎn)品。

3.3 按照性能級(jí)別分類 According to Level of Performance

根據(jù)天線方向圖保羅特性及2.1中描述的天線性能參數(shù)不同，不同國(guó)家制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)用以描述微波天線級(jí)別和差異。其中最常見的是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ETSI標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)FCC標(biāo)準(zhǔn)，巴西國(guó)家電信局ANATEL標(biāo)準(zhǔn)，澳大利亞通訊與媒體管理局ACMA標(biāo)準(zhǔn)， 和加拿大工業(yè)部IC標(biāo)準(zhǔn)。業(yè)界中最為常用的是ETSI標(biāo)準(zhǔn)，它針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)天線輻射包絡(luò)圖的高低制定了Class1－Class4級(jí)別。目前市場(chǎng)上暢銷的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波天線屬于Class 2－3級(jí)別，而Class 4天線具備更高的前后比及RPE要求，已經(jīng)成為各大廠家積極開發(fā)的下一代產(chǎn)品。圖4－圖5是通宇通訊股份有限公司開發(fā)的Class3 （簡(jiǎn)稱C3）和Class4（簡(jiǎn)稱C4）天線方向輻射圖測(cè)試結(jié)果。可以看出天線要滿足這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，首先要使得其方向圖曲線低于ETSI指定的C3和C4保羅線之上限。C4天線對(duì)比C3天線，它要求天線方向圖壓得更低，前后比更高，這使得在有限空間范圍內(nèi)，用戶可以部署更多數(shù)量的微波天線。

當(dāng)然不同的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有不同的級(jí)別劃分方式，例如FCC，IC或ACMA分別有A和B兩個(gè)等級(jí)。天線廠家針對(duì)不同的市場(chǎng)，充分論證自己天線的性能用于滿足世界各地客戶的需求。例如TYA06U38S和TYA06E38S是通宇公司兩款微波天線產(chǎn)品，滿足ETSI Class 3和FCC級(jí)別的天線采用了超高性能天線代碼‘U’，滿足ETSI Class 4級(jí)別的天線則采用異高性能天線代碼‘E’來(lái)表示，它們分別代表了0.6m口徑工作在38GHz的C3 和C4單極化天線。

3.4 按照應(yīng)用場(chǎng)景分類 According to Application Scenarios

微波天線的應(yīng)用場(chǎng)景分為電場(chǎng)景和環(huán)境場(chǎng)景兩種。其中電場(chǎng)景是指微波天線在搭建無(wú)線電鏈路的場(chǎng)合，其分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（p2p）微波天線和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(p2mp)微波天線兩種。由于其使用場(chǎng)合不同，微波天線的輻射特性要求也不同。例如用于替代光纖這種單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)傳輸?shù)奈⒉ㄌ炀€，它們的三維方向圖要具備類似鉛筆光束（Pencil beam）的特性，其二維切面方向圖需具備圖1所示的效果。而用于多點(diǎn)覆蓋的微波天線其特性類似常規(guī)的基站天線，目的是在大角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)播報(bào)，因此p2mp的微波天線三維方向圖要具備扇形（Fan beam）的特征，其二維方向圖須具備圖6和圖7所示的效果。

按照環(huán)境場(chǎng)景來(lái)講，微波天線主要分為普通天線，高抗腐天線和高抗風(fēng)天線三種。后兩種主要是針對(duì)特殊的應(yīng)用場(chǎng)所例如高煙霧腐蝕的海邊或颶風(fēng)高發(fā)區(qū)域，需要做特殊的高抗腐表面處理或結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件設(shè)計(jì)。

3.5 按照Radio接口分類 According to Radio Interface Types

在一個(gè)完整的微波鏈路通信系統(tǒng)，比天線更為重要的是室外有源無(wú)線發(fā)射接受機(jī)，也被稱為Radio。天線廠家為了能夠讓自己的產(chǎn)品匹配不同廠家的Radio，往往為它們配備了特殊的結(jié)構(gòu)連接件或天線匹配過(guò)渡單元。用戶在采購(gòu)天線的時(shí)候，也往往針對(duì)不同的Radio種類對(duì)天線進(jìn)行分類。圖8－圖10是三款不同廠家的天線接口示意圖。值得注意的是，對(duì)于天線性能來(lái)說(shuō)，由于大多數(shù)部件是共用件，天線的性能一般被認(rèn)為不以接口方式的改變而改變。

四、微波器件分類及選型 Microwave Component Classifications

微波器件也可以從多個(gè)角度分類，本文旨在從業(yè)界常規(guī)的如下四種分類方式展開討論。

4.1 極化分離類According to Polarization

極化分離類器件本身也是極化耦合器件，常見的這類器件有微波正交極化耦合器（OMT）和極化器（Polarizer）。前者已經(jīng)在商用微波通信中廣泛應(yīng)用，其主要有分離式和直扣式兩種，其中分離式主要是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)法蘭與軟波導(dǎo)相連，器件成本較低但是系統(tǒng)整體附件成本較高；直扣式主要是允許室外單元（ODU）或Radio直接連接到器件上，從而節(jié)省了高額的軟波導(dǎo)。圖11是該器件在接受雙極化信號(hào)狀態(tài)下的極化分離場(chǎng)分布示意圖，利用類似原理，通宇公司已經(jīng)成功開發(fā)全頻段的分離和直扣OMT產(chǎn)品（見圖12）。

4.2 功分類 According to Power Division

功率分配類的常見微波器件是功分器（Power divider）和定向耦合器（Directional coupler），它們都有分配或組合功率的特性，但有著本質(zhì)的區(qū)別。前者把一路信號(hào)按照特定幅度或相位分為多路，常見于激勵(lì)陣列天線單元；而后者一般指一種4端口器件，其輸出兩個(gè)端口一般并不會(huì)同時(shí)工作，給鏈路一種備份的功能。后一種產(chǎn)品常見與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波通信系統(tǒng)中，用于微波天線后端提高鏈路的可靠性。圖13－14是通宇公司開發(fā)的高性能微波定向耦合器及其天線連接效果圖。

4.3 頻分類 According to Frequency Division

頻分類微波器件主要是指微波濾波器，微波雙工器，多工器和室外分枝單元等產(chǎn)品。這些器件主要集成于天線室外單元的內(nèi)部， 用于實(shí)現(xiàn)濾波和信道整合等功能。微波濾波器多見于單路信道的濾波，雙工器使鏈路收發(fā)可以共用一個(gè)天線，而多工器和室外分枝單元?jiǎng)t可以完成多信道融合從而使單一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路實(shí)現(xiàn)超寬帶傳輸。圖15－16演示一款定制雙工器及其性能。

4.4 功能類 According to Functionalities

針對(duì)若干小型化的微波通信系統(tǒng)，多功能集合的微波器件已經(jīng)變的越來(lái)越普遍。例如將正交極化耦合器和雙工器集合在一體的器件已經(jīng)被很多Radio廠家所采用；為了實(shí)現(xiàn)多工功能，多個(gè)濾波器與環(huán)形器級(jí)連也是一種較普遍的解決方案。在這里介紹一款由通宇公司獨(dú)立開發(fā)的四端口耦合器件，如圖17所示，該款產(chǎn)品有四個(gè)端口用于連接4個(gè)室外單元，另外一個(gè)端口連接雙極化微波天線。該器件集成了一個(gè)正交極化耦合器和兩個(gè)定向耦合器，使得XPIC系統(tǒng)每一個(gè)極化具備備份功能。圖18是采用該器件搭建的天饋系統(tǒng)。

微波毫米波天線和器件發(fā)展趨勢(shì) Development Trend of Microwave/Milimeter-wave Antennas and Components

微波毫米波天線和器件有如下的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：高性能化，低成本化，多極化，寬頻化，高效率化，小型化，定制集成化，和高頻化。值得提的是，隨著LTE系統(tǒng)和未來(lái)5G的發(fā)展，小基站的系統(tǒng)將變的越來(lái)越普遍，單位空間內(nèi)微波鏈路的數(shù)量將變的更多，這就要求微波天線及器件的性能更高，價(jià)格要更低；另外多極化，寬頻化，高頻化主要是為了滿足日益增長(zhǎng)的系統(tǒng)帶寬的需求；越來(lái)越多的新型室外單元，為了減小整個(gè)系統(tǒng)體積，Radio廠家已經(jīng)在和天線制造商合作開發(fā)小型化和定制集成化的天線系統(tǒng)，這使得未來(lái)的微波室外天饋系統(tǒng)趨于個(gè)性化和定制化。

五、總結(jié)

綜上所述，本文介紹了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信中的無(wú)源微波毫米波天線和器件，圍繞這些產(chǎn)品的性能和特征對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品架構(gòu)進(jìn)行了討論，并簡(jiǎn)述了本行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

作者：

東君偉，博士，2009年畢業(yè)于美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)電子工程系。2009－2011年受聘美國(guó)微波工程公司，任職研究科學(xué)家。2011年9月海歸，現(xiàn)任通宇通訊股份有限公司首席技術(shù)副總監(jiān)，同時(shí)承擔(dān)微波部門的管理和運(yùn)營(yíng)工作。

吳中林，廣東通宇通訊股份有限公司董事長(zhǎng)。1989年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)；1994年，成功研制國(guó)內(nèi)第一面移動(dòng)通信基站天線，打破了中國(guó)基站天線市場(chǎng)由國(guó)外產(chǎn)品壟斷的局面；1996年，注冊(cè)成立通宇通訊公司。

編輯：黃飛

?